JPH02311A

JPH02311A - 半導体製造装置

Info

Publication number: JPH02311A
Application number: JP63191061A
Authority: JP
Inventors: Akira Yoshino; 明吉野; Nobunori Omori; 大森　宣典; Toshiji Onishi; 大西　利治
Original assignee: Daido Sanso Co Ltd
Current assignee: Daido Sanso Co Ltd
Priority date: 1987-11-30
Filing date: 1988-07-28
Publication date: 1990-01-05
Anticipated expiration: 2011-03-27
Also published as: JPH0831415B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕この発明は、′真空室内、特に真空化学エピタキシー（
ＶＣＥ）系において、化合物半導体層を成長させる半導
体製造装置に関するものである。

〔従来の技術〕

近年、化合物半導体、特に■−■族化合物（例えばＧａ
Ａｓ）が、従来の珪素半導体よりも優れた性能を有する
としてその需要が増大している。

このような化合物半導体の製造方法として、超高真空中
で、エピタキシャル成長させる化合物に必要な原子を固
体材料からヒートガンによって蒸発させ、これを分子線
の形で基板に衝突させ、基板上に膜を成長させる分子線
エピタキシャル（（ＭＢ　Ｅ　）　Ｍｏ１ｅｃｕｌａｒ
　Ｂｅａｍ　Ｅｐｉｔａｘｙ）法や、金属のメチルまた
はエチル化合物の蒸気をＨ！等のキャリアガスで送って
常圧ないし減圧の反応室に導入し、そこでＶ族の水素化
合物と混合したのち、加熱した基板上で反応させ結晶を
成長させる有機金属ＣＶ　Ｄ　　（［ＭＯＣＶ　Ｄ　］
Ｍｅｔａｌｏｒｇａｓ＋ｉｃ　　Ｃｈｅｍｉ’ｃａｌＶ
ａｐｏｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法等がある。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、上記のうち、分子線エピタキシャル法は
、大量生産が難しく市場の需要に見合うだけの供給をす
ることが困難であるという問題点を有している。また、
有機金属ＣＶＤ法は、生産能力は上記分子線エピタキシ
ャル法よりも高いが、使用する反応ガスが高価で、かつ
、その成長機構のために反応ガスの利用効率が悪くなる
という問題を存している。そのため、高価格を問題とし
ないような特殊用途以外に使用することは困難である。

また、上記有機金属ＣＶＤ法は、上記のように反応ガス
の利用効率が悪いことから大量の未反応ガス（毒性ガス
）を生じるうえ、蒸気圧の低い■族化合物をガス化し搬
送する目的で大量に用いるＨ２等のキャリアガスが上記
未反応ガスに加わるため大量の毒性廃ガスを生じ、これ
の廃棄等に大きな問題を有している。このような有機金
属ＣＶＤ法による従来の装置は、第６図に示すようにな
っている。すなわち、真空室ｌ内に配設されたヒータ２
の上に基板３を載置し、この基板３に向けて真空室１内
の上部側に配設されたノズル４から半導体成長用の″ガ
ス状化合物を矢印Ａのように吐出するようになっている
。この装置は、１回の処理ごとに容積の大きな真空室１
に半導体成長用のガス状化合物（反応ガス）を充満させ
、処理後にそれを廃棄するため、廃棄ガス中に半導体成
長に関与していない未反応ガスがかなり多量に含まれて
おり、反応ガスの利用効率が悪い、また、上記装置は、
基板３をヒータ２の上に載せ基板３を下側から加熱する
ため、基板３の上方で矢印Ｂのような熱対流が生じると
ともに、ヒータ２によって加熱された基板３から放散さ
れる熱が基板３の上面近傍で矢印Ｃのように生じる。そ
の結果、ノズル４から吐出されるガス状化合物が上記矢
印Ｂの熱対流、矢印Ｃの放散熱により押し上げられてそ
の流れが乱されるため、基板３の上面に均一な膜成長が
行われなくなる。したがって、上記装置には、得られる
半導体膜（半導体層）の表面を平滑に仕上げることが困
難であるという大きな欠点がある。この欠点は、上記矢
印Ｂの熱対流によって基板３面に到達しえず空中で接触
反応して生成したＧａ−Ａｓ粒子フラッグが空間を浮遊
しランダムに半導体膜に付着するということにより助長
される。

この発明は、このような事情に鑑みなされたもので、上
記ＭＢＥとＭＯＣＶＤの長所を組み合わせることにより
、半導体層表面が平滑で良質の半導体を、効率よ（生産
できる半導体製造装置の提供をその目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

上記の目的を達成するため、この発明の半導体製造装置
は、高度に真空になしう４真空室と、この真空室内に配
設された基板支持用の基板支持具と、反応ガス供給手段
と、基板の加熱手段とを備えた半導体製造装置において
、底面部とその外周縁部から起立する周壁とこの周壁で
囲われた反応空間を開閉自在に蓋する上板とからなる反
応室を上記真空室内に設け、上記反応室の上板に、基板
を上記反応空間に接した状態で保持する保持部を設ける
とともに、反応室の底面部に、上記保持部に保持された
基板に対して反応ガスを吐出する反応ガス供給手段を設
′け、反応室の周壁もしくはこの周壁と上板との間に反
応ガス排出路を設け、かつ上記反応室の上板の上方に加
熱手段を位置決め配設するという構成をとる。

〔作用効果〕

すなわち、この発明の半導体製造装置は、真空室を高度
に真空にして反応ガス分子の平均自由行程を大きくしガ
ス分子を分子線として基板に効率よく衝突させるように
すると同時に、真空室内に、真空室より小容量の反応室
を新たに設け、この反応室に基板を入れ、その状態で反
応室に反応ガスを供給して半導体層の成長を行わせるた
め、反応ガスの利用効率が大幅に向上するようになる。

また、この装置は、真空室が高度に真空になっていて蒸
気圧の低い■族化合物でもそのままガス化して使用でき
るため、■族化合物のガス化ならびに搬送用のキャリア
ガスが不要になる。そのため使用後のガスの廃棄処理も
少量ですむようになる。そのうえ、反応室を構成する上
板に基板を保持させ、かつ反応室の底部に反応ガス吐出
部を設けるとともに反応室の上板の上方にヒータを設け
、反応室内に吐出された反応ガスが熱対流等により影響
を受けないようにしているため、極めて表面平滑性に富
んだ半導体層を形成できるようになる。

つぎに、この発明を実施例にもとづいて詳しく説明する
。

〔実施例〕

第１図ないし第４図はこの発明の一実施例の半導体製造
装置を示している。これらの図において２００は真空化
学エピタキシー（Ｖａｃｕｕｍ　ＣｈｅｍｉｃａｌＥｐ
ｉｔａｘｙ　）系における真空室であり、その真空室２
００内に反応室１０が設けられている。この反応室１０
は、四角板状の床板１２と、その四角板状の床板１２の
四方の周縁部から上方に向かって延びる周壁１６と、そ
の周壁１６の上端に一方向へのスライド自在な状態で載
置される上板１８とで構成されている。この上板１８に
は、その中央部に２個の穴部１８ａが設けられ、この穴
部１８ａに、それぞれ円板状のＧａＡｓ基板３００が、
表面を下側にした状態で穴部１８ａの内周縁に設けられ
た段部ｒ　８　ｂ’に支持され着脱自在に取付けられて
いる。上記上板１８は、その左右両側縁が下方にわん曲
していて、そのわん曲部が、上記四方の周壁１６のうち
の相対峙する左右一対の周壁１６の内側に設けられたス
ライド段部１６ａに支持されることにより、真空室２０
０に連設された基板着脱室５０（第４図参照）に向かっ
てスライドできるようになっている。第４図において、
５１は基板着脱室５０から弁５２を開いて真空室２００
内に延びるマジックハンドで、上記上板１８のわん曲部
を挟んだ状態でスライド移動し、上板１８を反応室１０
に適正に着脱する。５３は弁５２を開く前に基板着脱室
５０を真空室２００と同程度の真空状態にする真空ポン
プである。上記反応室１０の周壁には、外周に沿って所
定間隙で排気口２０が設けられ、反応室１０内の未反応
ガスないし余剰反応ガスを真空室１０に排出するように
なっている。これら排気口２０の全体の面積は反応室１
０の上板１８の面積の略４％に設定されている。１４は
それぞれ床板１２における上記基板３００の真下の位置
に一定間隔（２５，４ｍ）で、かつ上記基板３００に対
して垂直になるように穿設された直径３．２閣のノズル
孔（下側から上側にかけて逆向き円錐状になり、反応ガ
スを均一吐出するようになっている）であり、反応室１
０の下方に配設された第１の混合室２４の天井部に穿設
されている孔２６または３４に連通している。

この孔２６および３４は第５図に示すように、同数個が
交互に配設されており、孔２６は第１の混合室２４内に
連通し、孔３４は第１の混合室２４内を貫通しているダ
クト３２を介して混合室２４の下側に設けられた第２の
混合室３０に連通している。第１の混合室２４内には第
２図に示すように、側壁を貫通して原料注入管２２が連
通しており、この原料注入管２２からトリメチルガリウ
ム（ＴＭＧａ）やトリエチルガリウム（ＴＥＧａ）等の
■族化合物（反応ガス）が第１の混合室２４に送り込ま
れ、また、ｎ型ならびにｐ型ドーパントが単独でもしく
は上記■族化合物とともに第１の混合室２４に送り込ま
れるようになっている。

この化合物等は、第゛１の混合室２４内で均一に混合さ
れたのち孔２６およびノズル孔１４を通って、上方に配
設されている基板３００に向かって均−な分布状態で吐
出される。また、第２の混合室３０は、下部側に開口を
有し、その開口に、その開口を開閉するためのポペット
弁からなる排気弁３６が進退自在に設けられている。そ
して、上記第２の混合室３０の側壁には、原料注入管２
８が連結されている。この原料注入管２８からｎ型。

ｐ型ドーパントもしくはトリエチルアルミニウム（ＴＥ
Ａ／り等の■族化合物等が第２の混合室３０に送り込ま
れるようになっている。上記■族化合物は第２の混合室
３０およびダクト３２内で均一状態に混合されたのち、
孔３４を介してノズル孔１４から基板３００に向けて均
一な分布状態で吐出される。なお、上記ダクト３２は、
第１の混合室２４内において、反応ガスの流通抵抗にな
り攪拌作用を奏しめるため、第１の混合室２４内におけ
る反応ガスの混合性の向上に寄与する。また、上記第１
および第２の混合室２４．３０は一体的に形成されたス
テンレス鋼製のブロックでできており、ステンレス鋼製
の支持体４０で支持されている。４２はＡｓＨｓ等の■
族化合物（反応ガス）を反応室１０内に供給するための
供給管であり、第５図のように床板１２上の、孔２６．
３４を左右同数に２分割する位置に配設されている。

そして、この供給管４２には複数個の孔４２ａおよび孔
４２ｂがそれぞれ一定間隔を保った状態で左右２列に穿
設されている。これにより、上記■族化合物が反応室１
０内に均一な分布状態で供給される。４４は反応室１０
の上板１８の上方に配設されたヒータ、４４Ｃは均熱板
であり、基板３００を上方から主として輻射熱で加熱す
ることにより、基板３００を、その表面で半導体化合物
が成長できる温度まで加熱すると同時に、その加熱によ
り、熱対流等の影響を受けることなく半導体層が基板３
００の表面に均一に成長しうるようにしている。上記ヒ
ータ４４は第１図（ｂ）に示すように板状カーボングラ
ファイトに筋状切り込み４４ａを交互に設け、両端に電
［ｉ＋４４　ｂを取り付けて構成されているー、このヒ
ータ４４は面状に均−加熱可・能であるが、ヒータ４４
の下側に設けられた均熱板４４ｃにより、面状加熱の一
層の均一化がなされるようになる。

動作において、ＭＥＳＦＥＴエピタキシー層の成長形成
には、第１図のように反応室ｌＯに基板３００（表面が
下側になっている）付きの上板１８を装着し、ついで真
空室２００内を、真空度が１０−’）ルの真空状態にす
るとともに、ヒータ４４に電荷を負荷してヒータ４４を
発熱させ雰囲気温度を６５０℃に加熱する。その状態で
、基板３００を、略１５分間加熱する。ついで反応室１
０の原料注入管２２からトリメチルガリウム（ＴＭＧａ
）やトリエチルガリウム（ＴＥＧａ）等の■族化合物（
反応ガス）を第１の混合室２４内に送り込み混合室２４
内で均一状態に混合したのち、ノズル孔１４から基１ｉ
３００の表面に向けて均一な分布状態で吐出させると同
時に、供給管４２に、ＡｓＨ，またはアルキルアルシン
等の■族化合物（反応ガス）、例えばトリエチルアルシ
ン（ＴＥＡｓ）を送り込み、これを孔４２ａおよび孔４
２ｂから反応室１０内に過剰に吐出させる。その結果、
反応室１０内に供給される■族化合物は、上記■族化合
物等とともに基板３００の表面を横切って排気口２０の
方へと拡散しながら流れていく、その間に、Ａｓｈ、や
ＴＥＡｓは熱分解してＡｓｈになり、基板３００の表面
に、上記ガリウム化合物のガリウムとともに接触し、無
ドープの砒化ガリウム（ＧａＡｓ）層等として成長する
。

また、基板３００に接触しない未反応の化合物は、排気
口２０から外部に排出され、真空室２０００側方に、排
気手段によって吸い込まれる。上記ＧａＡｓ層は、毎時
路２μｍの成長速度で成長させることが好ましく、厚み
を略１０４人に形成させることが好適である。この場合
、上記無ドープＧａＡｓ層内の不純分の濃度はｌ×１０
′′原子／ｄ以下になるように設定することが好ましい
。つぎに、ｎ型ドーパントを上記■族、■族化合物とと
もに、もしくは単独で第２の混合室３０から反応室１０
に吐出させることにより、上記無ドープＧａＡｓ層の表
面に′ｎ型活性層を成長させる。このｎ型活性層は、毎
時路２μｍの成長速度で成長させることが好ましく、そ
の厚みが２Ｘ１０３人で、その中のｎ型ドーパントの濃
度が略２Ｘ１０”原子／ｃｒ１になるようにすることが
好適である。そののち、ガスの供給をすべて停止した状
態で略１５分保持する。そして、基板３００を冷却した
のち反応室（真空室２００）１０から取り出す。この取
り出しは、つぎのようにして行われる。すなわち、基板
着脱室５０内の真空度を真空室２００と同程度に高め、
ついで弁５２を開き、マジックハンド５１を延ばして反
応室１０の上板１８（基板３００を有する）を把持させ
、その状態でマジックハンド５１を後退させ、上板１日
をスライドさせて反応室１０の周壁１６から取り外し基
板着脱室５０内へ収容するということにより行われる。

そして、取り出された基板３００には、既知の手段によ
って、信号源電極、ドレーン電極およびゲート電極が設
けられる。このようにして、均一なＭＥＳＦＥＴ半導体
層を有する■−■化合物半導体を得ることができる。

つぎに、ＨＥＭＴエピタキシー層の成長形成は、前記の
ように、反応室１０内に第１の混合室２４から■族化合
物を吐出させるとともに、供給管４２からＶ族化合物を
吐出させて基板３００上に無ドープのＧａＡｓ層を成長
させたのち、上記■族化合物およびＶ族化合物に加えて
、第２の混合室３０からトリエチルアルミニウム（ＴＥ
Ａｆ）等のＡｌを含有する■族化合物を供給し、ＡｆＧ
ａＡｓからなるＨＥＭＴエピタキシー層を成長させる。

ついで、ｎ型ドーパントを上記Ａ！含有■族化合物とと
もに反応室１０に吐出させ、上記ＡｌＧａＡｓ層の上に
、ｎ型Ａｊ２ＣａＡｓ層を成長させる。そののちＡｌ含
有■族化合物の供給を止め、ｎ型ドーパントを含有する
ｎ型ＧａＡｓ層を成長させる。このようにしてＨＥＭＴ
エピタキシー層の成長形成がなされる。

なお、上記の装置において、ノズル孔１４から基板３０
０までの距離を、その真空状態での■族化合物のガス分
子の平均自由行程（ガス分子が他の分子と衝突して反′
応するまでに進む距離）よりも短く、かつ基板３００の
表面への化合物の分散状態が均一になるように設定して
おく。これをより詳しく説明すると、各ノズル孔１４か
ら円錐状に拡散していく■族化合物等の先端に形成され
る各日が互いに交わる位置に基板３００を配設しておく
とともに、基板３００に到達するガス分子の分布状態お
よびその衝突速度が、ガス分子が基板３００の表面に適
当な速度で成長するために充分であるように設定してお
く。または、予め設定されたノズル孔１４から基板３０
０までの距離に対応させて、真空室２００内の真空度や
ガス状化合物の吐出速度を調節したり、孔２６．３４お
よびノズル孔１４の個数、直径等を調節する。これによ
り、規定厚み±５％の範囲内の厚み、より好ましくは規
定厚み±１％の範囲の厚みを有する半導体層を得ること
ができる。また、ＴＥＧａおよびＡｓｈｓ等からＧａＡ
ｓを得る場合の反応速度は一般に、基板３００の温度が
高いほど早く進行するようになっているが、基板３００
の温度があまり高すぎると層状に形成されたものが再蒸
発し層成長速度を低下させる。このため基板３００の温
度は５００〜７００℃が好ましく、特に好ましいのは６
００〜６５０°Ｃである。また、反応室１０内の真空状
態は１０−”）ル以下が好ましい。

また、上記実施例の装置において、混合室を追加する場
合、排気弁３６は最下段の混合室に設けるか、またはそ
れぞれの混合室に設けるようにしてもよい。また、上記
の実施例では反応室１０の周壁１６に排気口２０を設け
ているが、周壁１６に排気口２０を設けず、周壁１６と
上板１８との隙間を排気路にするようにしてもよい。ま
た、上記実施例の装置および第１図の装置では、混合室
２４と３０を隔離した室とし、それぞれの混合室に連通
したノズル孔１４から異なる原料ガスを反応室１０に送
るようになっているが、混合室２４および３０を孔等に
より連通させ、それぞれの原料注入管２２．２８から送
られてくる原料ガスを混合室２４内で混合したのち反応
室１０に送るようにしてもよい。さらに混合室に冷却用
のジャケット等を設けてそれ・に冷却水等を送ることに
より、ガス状化合物を適正温度に冷却できるようにして
もよい。これにより、ガス状化合物の温度が過剰に高く
なることを防止し、ガス状化合物の早期反応を防止でき
るようになる。

以上のように、上記実施例の装置は、ヒータ４４を上板
１８の上方に配設し、上方から基板３００を加熱すると
ともに、半導体成長用のガス状化合物を基板３００の下
方から基板３００に向かって上向きに吐出させるため、
ヒータ４４の発熱による気体の対流に左右されず適正な
処理ができ、表面平滑性に富んだ半導体層を均一に成長
させることができる。また、上記半導体製造装置は、混
合室２４および混合室３０から基板３００に向けて種類
の異なるガス状の■族化合物等を吐出できるようにして
いるため、従来の装置のように、バルブの切り代え等の
作業を必要とせず効率のよい半導体の製造ができる。ま
た、ノズル孔１４に他種類のガス状化合物が残留しそれ
が不純物となって得られる半導体の品質を低下させると
いうことがない、そのうえ、混合室２４．３０に連通ず
る複数個のノズル孔１４を同一平面上に一定間隔で配設
するとともに、上記複数個のノズル孔１４を２分割する
位置に配設した供給管４２からＶ族化合物を反応室１０
内に供給するようにし、かつ未反応の反応ガスを排出口
２０から反応室１０の外部に排出することにより、反応
室１０内に一定の流速の反応ガスの流れを生じさせるよ
うにしているため、基板３００の表面に均一状態で反応
ガスを送ることができ、■−■族化合物からなる半導体
層を均一な状態で成長させることができる。また、第２
の混合室３０に排気弁３６を設けているためガス状化合
物の基板３００への断続的な供給も可能になる。さらに
、反応ガスの利用効率が高（かつキャリアガスを用いる
必要がないため使用ガスが少量になり、廃棄等の処理が
容易になる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）はこの発明の一実施例の半導体製造装置を
示す縦断面図、第１図（ロ）はそのヒータの平面図、第
２図は第１図（ａ）の要部の拡大図、第３図はさらにそ
の反応室の゛斜視図、第４図は基板供給装置を含めた平
面的断面図、第５図は反応室のノズル孔および供給管の
分布状態を示す平面図、第６図は従来例の断面図である
。１０・・・反応室　１２・・・床板　１４・・・ノズル
孔１６・・・周壁　１８・・・上板　１８ａ・・・穴部
　１８ｂ・・・段部　２０・・・排気口　２２．２８・
・・原料注入管２４．３０・・・混合室　２６・・・孔
　３２・・・ダクト３６・・・排気弁　４２・・・供給
管　４２ａ、４２ｂ・・・孔　４４・・化−夕　４４ｃ
・・・均熱板　２００・・・真空室　３００・・・基板

Claims

【特許請求の範囲】

（１）高度に真空になしうる真空室と、この真空室内に
配設された基板支持用の基板支持具と、反応ガス供給手
段と、基板の加熱手段とを備えた半導体製造装置におい
て、底面部とその外周縁部から起立する周壁とこの周壁
で囲われた反応空間を開閉自在に蓋する上坂とからなる
反応室を上記真空室内に設け、上記反応室の上板に、基
板を上記反応空間に接した状態で保持する保持部を設け
るとともに、反応室の底面部に、上記保持部に保持され
た基板に対して反応ガスを吐出する反応ガス供給手段を
設け、反応室の周壁もしくはこの周壁と上板との間に反
応ガス排出路を設け、かつ上記反応室の上板の上方に加
熱手段を位置決め配設した半導体製造装置。
（２）上記反応室の底面部に反応ガス吐出用の複数のノ
ズル孔を設けるとともに、反応室の下側に第１および第
２の混合室を多段式に設け、これら第１および第２の混
合室にそれぞれ異種の反応ガスを注入する注入手段を設
け、上記第１の混合室の天井部にその混合室内の反応ガ
スを上記反応室の底面部の所定のノズル孔に導く出口を
設け、かつ上記第２の混合室の天井部にその混合室内の
反応ガスを取り出す出口を設けるとともに、この出口か
ら上記第１の混合室を通り抜けて上記反応室の底面部の
所定のノズル孔に延びる反応ガス流路を設けた請求項（
１）記載の半導体製造装置。
（３）上記反応室の底面部に設けられた反応ガス吐出用
の複数のノズル孔を実質的に同数からなるノズル孔群に
左右に分割するよう上記反応室の底面部上に設けられた
反応ガス吐出用の吐出源を設けた請求項（１）または（
２）記載の半導体製造装置。